預處理燕麥麩皮貯藏期預測模型的建立

白 雪，劉瑞瑞，張美莉

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院 呼和浩特 010018）

燕麥麩皮是燕麥加工的副產(chǎn)物，含有β-葡聚糖、不飽和脂肪酸、酚酸、燕麥堿等功能性組分，其總β-葡聚糖含量至少為5.5%，膳食纖維含量至少為16.0%，總膳食纖維中至少有三分之一是可溶性膳食纖維[1-2]。研究表明，燕麥β-葡聚糖可減緩糖類、脂肪和膽固醇的吸收[3]，具有預防Ⅱ型糖尿病的功效[4]，同時也可與膽汁酸結合，促使其隨糞便排出體外，促進體內(nèi)膽固醇的分解，降低血清膽固醇[5]。膳食補充燕麥麩皮可有效改善甘油三酯、總膽固醇和HDL-膽固醇水平，提示其是控制精神疾病患者心血管風險的一種治療選擇[6]。Patel等[7]研究發(fā)現(xiàn)給C57BL/6J 雄性小鼠喂食高燕麥麩皮飲食（15%纖維）可降低早期和晚期輻射引起的炎癥的強度。Kristek 等[8]研究得出燕麥麩皮可以調(diào)節(jié)人體腸道微生物群并具有益生元特性（增加結腸內(nèi)一些促進健康的細菌屬的生長）。因此，燕麥麩皮是具有降膽固醇、平穩(wěn)血糖功效的功能食品。

由于燕麥麩皮含油量高，易酸敗變質，無法滿足工業(yè)需求，利用率很低[9]，因此提高燕麥麩皮的加工特性和貯藏穩(wěn)定性是開發(fā)利用的前提。目前較有代表性的穩(wěn)定化方法有加熱鈍化法，包括干熱法和濕熱法，擠壓膨化、酶法、微波和化學處理法和輻射處理等[10]。濕熱法是利用熱蒸汽使得谷物含水量增加，加熱時間短且均勻，穩(wěn)定化效果好[11]。Thanonkaew 等[12]的研究表明熱風干燥對米糠的穩(wěn)定化效果優(yōu)于烘烤和蒸煮處理。然而，將以上熱處理應用于燕麥麩皮的研究較少。

大多數(shù)關于食品保存期的研究都以溫度為出發(fā)點，目前有兩種基本模型，即與微生物繁殖生長相關的Z 值模型和化學反應引起品質變化的Arrhenius 模型[13]。燕麥麩皮在貯存過程中品質降低主要與其所含油脂的氧化酸敗相關，其反應規(guī)律符合化學動力學規(guī)律，可根據(jù)Arrhenius 方程進行分析[14]。目前國內(nèi)外動力學模型研究大多側重于水產(chǎn)品[15-17]、果蔬[18-19]和肉類[20-21]等，而建立谷物品質變化的動力學模型的研究較少。

本試驗以濕熱、微波及熱風干燥處理新鮮燕麥麩皮，研究預處理對脂肪酸組成及含量的影響，并以脂肪酸值為指標值，采用以溫度為基礎的Arrhenius 動力學模型建立預處理前、后燕麥麩皮貯藏期與溫度的化學反應動力學模型，預測不同貯藏溫度燕麥麩皮的保質期，為燕麥麩皮的科學貯藏提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

燕麥麩皮（OB）由內(nèi)蒙古西貝匯通農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司提供；35 種脂肪酸混合標準品，Sigma 公司；乙醚、石油醚、硫代巴比妥酸，國藥集團化學試劑有限公司；鹽酸，萊陽市康德化工有限公司；正己烷、95%乙醇，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；三氟化硼甲醇，CNW；三氯乙酸，天津市科密歐化學試劑開發(fā)中心；氫氧化鈉，天津奧普升化工有限公司，試劑均為分析純級。

1.2 儀器與設備

TRACETM1300 氣相色譜儀，Thermo 公司；UV2300Ⅱ雙光束紫外-可見分光光度計，上海天美科學儀器有限公司；DL-5-A 離心機，上海安亭科學儀器廠；L-20B 密封式搖擺粉碎機，廣東旭朗機械設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

1.3.1.1 濕熱處理燕麥麩皮樣品（S-OB） 將燕麥麩皮放入蒸籠蒸（料層厚度為1～2 cm）20 min，冷卻至室溫后過60 目篩，于-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.1.2 微波處理燕麥麩皮樣品 （M-OB） 將燕麥麩皮在微波功率為800 W 的條件下加熱2 min，冷卻至室溫后過60 目篩，于-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.1.3 熱風干燥處理燕麥麩皮樣品（HA-OB）將燕麥麩皮在熱風干燥箱內(nèi)140 ℃下熱處理15 min，冷卻至室溫后過60 目篩，于-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.1.4 加速貯藏試驗樣品 分別稱取2 000 g 不同預處理的燕麥麩皮樣品，分別放入30，40，50 ℃和60 ℃恒溫、恒濕培養(yǎng)箱中進行加速氧化。每隔7 d 取出樣品放入自封袋中，-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆?。同時貯藏未加工的燕麥麩皮作對照，直到達到燕麥麩皮脂肪酸值臨界值時停止貯藏試驗。

1.3.2 指標測定

1.3.2.1 脂肪酸組成分析

1） 試樣水解 稱取適量燕麥麩皮（100～200 mg），加入約100 mg 焦性沒食子酸，加入幾粒沸石，再加入2 mL 95%乙醇，混勻。加入10 mL 鹽酸溶液于燒瓶中并混勻。在70～80 ℃水浴中水解40 min。

2） 脂肪提取 分液漏斗加入10 mL 95%乙醇、30 mL 無水乙醚和酸水解液，搖勻后靜置10 min，收集醚層提取液，重復3 次，使用旋轉蒸發(fā)儀濃縮至干，殘留物即為脂肪提取物。

3） 脂肪的皂化和脂肪酸甲酯化 參照GB 5009.168-2016 《食品安全國家標準 食品中脂肪酸的測定》中的方法進行皂化和甲酯化。

4） 氣相色譜分析條件 色譜柱：CD-2560（100 m×0.25 mm×0.20 μm）；升溫程序：130 ℃保持5 min，以4 ℃/min 的速率升溫至240 ℃，保持30 min；進樣口溫度：250 ℃；載氣流速：0.5 mL/min；分流進樣，分流比10∶1；檢測器：FID；檢測器溫度：250 ℃。通過標準品與NIST-11 數(shù)據(jù)庫進行定性，采用峰面積歸一化法進行定量。

1.3.2.2 脂肪酸值的測定 參照GB/T 15684-2015《谷物碾磨制品 脂肪酸值的測定》中的方法測定脂肪酸值。

1.3.3 燕麥麩皮脂肪酸值臨界值的模糊綜合評定

1.3.3.1 感官評定方法 將燕麥麩皮放在60 ℃恒溫、恒濕培養(yǎng)箱中加速貯藏，分別將存放7，14，21，28，35，37 d 和38 d 的燕麥麩皮作為評測樣品。每個樣品測評時間間隔為10 min。評價標準參照周佳倩[22]的方法并作修改。

表1 模糊感官評定標準Table 1 Fuzzy sensory evaluation standard

1.3.3.2 模糊數(shù)學感官評價模型的建立

1） 建立因素集 將燕麥麩皮的色澤（U1）、氣味（U2）、組織形態(tài)（U3）作為模糊評判的因素集U=[U1，U2，U3]。

2） 建立評價集 由感官評價員根據(jù)感官評價標準確定，一般采用優(yōu)（V1）、中（V2）、差（V3）的定性化評價體系。采用百分制打分。90 分為優(yōu)，70分中，50 分以下為差，V=[V1，V2，V3]。

3） 權重集的確立 根據(jù)各因素的重要程度進行權重分配。雖然每個人對各因素的要求有所不同，但大體上是一致的[23]。試驗采用用戶調(diào)查法，請10 位感官評定人員對燕麥麩皮的3 個主要因素進行權重打分?？偡?0 分，分值越高，說明質量因素所占的權重越大。對各項因素得分情況進行統(tǒng)計分析，每個因素得分平均值除以所有指標總分10 分，即為各因素權重因子。整理數(shù)據(jù)得出色澤、氣味和組織形態(tài)在綜合評判所占比重為0.3，0.4，0.3，因此模糊向量R=[0.3，0.4，0.3]。

1.3.4 燕麥麩皮貯藏期預測模型的建立 動力學模型能根據(jù)貯藏時間和溫度的變化規(guī)律來預測貯藏期。其中，一級動力學模型見公式（1）：

式中，t——貯藏時間，d；A——貯藏t 時刻的品質指標數(shù)值；A0——品質指標初始值；k——某一儲存溫度下食品品質變化速率常數(shù)。

Arrhenius 方程【式（2）】描述的是反應速率常數(shù)與溫度之間的關系[24]，為方便計算，對公式（2）取對數(shù)得到公式（3）。

式中，K——不同溫度下反應速率常數(shù)；K0——方程指前因子；Ea——活化能，kJ/mol；R——氣體常數(shù) （8.314 J/（mol·K））；T——貯藏溫度，K；K0和Ea為與反應系統(tǒng)中與物質本性有關的常數(shù)。

將一級動力學方程和Arrhenius 方程結合起來，只要確定感官評定終點對應的貯藏品質指標值以及某一貯藏溫度，即可對燕麥麩皮貨架期進行理論預測，并得到貯藏期（SL）預測公式。

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 采用Excel 2010 和Origin 2018 軟件對數(shù)據(jù)進行擬合并繪圖；采用SPSS 26.0 軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同預處理方式對燕麥麩皮脂肪酸組成及含量的影響

由表2可知，預處理燕麥麩皮共檢測出13 種脂肪酸，包括7 種飽和脂肪酸和6 種不飽和脂肪酸。OB、S-OB、M-OB 和HA-OB 中脂肪酸檢出數(shù)量分別為12、10、9 和12 種。另外，部分脂肪酸只在不同預處理燕麥麩皮中檢出，如二十二碳二烯酸僅在濕熱處理燕麥麩皮中檢出，說明不同預處理方法對燕麥麩皮的脂肪酸組成有不同的影響。

表2 預處理方式對燕麥麩皮的脂肪酸組成及含量的影響（g/100 g）Table 2 Effects of pretreatment methods on the fatty acid composition and content of oat bran （g/100 g）

由表2知，預處理燕麥麩皮中飽和脂肪酸含量在18.01%～23.13%之間，以棕櫚酸和硬脂酸為主。不飽和脂肪酸含量在75.26%～81.05%之間，以油酸和亞油酸為主。M-OB 的不飽和脂肪酸含量最高，為81.05%，其次是HA-OB、OB 和S-OB。從亞油酸含量看，S-OB 中含量最高，達到46.39%，其次為OB、HA-OB 和M-OB。亞油酸為人體必需脂肪酸，能提高運動能力，并對更年期婦女的骨骼結構有益[25]。由于油酸和亞油酸二者含量之和接近80%，因此燕麥被認為是不飽和脂肪酸的良好來 源，Holland 等[26]和Leonova 等[27]的研究也得出相似結果。

燕麥麩皮脂質水解伴隨多種營養(yǎng)與感官品質變化，如哈敗味、酸度上升、功能特性變化、脂肪酸氧化的易感性增加等。游離脂肪酸的進一步氧化酸敗會產(chǎn)生自由基，并通過裂變，最終導致營養(yǎng)價值下降并產(chǎn)生異味。燕麥麩皮中的亞油酸和亞麻酸等不飽和脂質在脂肪酶、脂肪氧化酶等的聯(lián)合作用下，降解成小分子的醛、醇等，造成營養(yǎng)品質下降和不飽和脂肪酸的損失。結果表明，濕熱處理對燕麥麩皮中的脂肪酸含量影響較小，不影響燕麥麩皮的加工利用。微波及熱風干燥處理后燕麥麩皮中的飽和脂肪酸含量下降，而不飽和脂肪酸含量則升高。

PCA 統(tǒng)計方法是將一組可能有相關性的變量通過正交變換的方法轉為一組線性不相關變量[28]。主成分分析（PCA）可以更好地分析13 種脂肪酸在不同預處理燕麥麩皮中的表征程度。由圖1可知，第1 主成分PC1 貢獻率達到73.5%，第2 主成分PC2 貢獻率達到17.3%，PC1 和PC2 貢獻率之和達到90.8%。第1 主成分F1 貢獻率達73.5%，特點表現(xiàn)在亞油酸、二十二碳二烯酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、十七烷酸和二十二烷酸有較高的正載荷，是對第1 成分影響最大的特征向量，說明第1 主成分是由這6 種脂肪酸組成的一個綜合指標。第2 主成分F2 的貢獻率為17.3%，表現(xiàn)為二十碳五烯酸有較高的正載荷，油酸有較高的負載荷，說明這兩種脂肪酸是決定這一主成分的主要因子。綜合以上特點，可以認為不同預處理燕麥麩皮的主要差異為這8 種脂肪酸。

圖1 不同預處理燕麥麩皮的脂肪酸PCA 圖Fig.1 PCA diagram of fatty acids of different pretreated oat bran

2.2 燕麥麩皮脂肪酸值臨界值的模糊綜合評定結果

2.2.1 感官評定結果 10 名人員的評定結果如表3所示，將表3中的燕麥麩皮各因素等級評價人數(shù)分別除以評價總人數(shù)，得到模糊矩陣y。上述7 個樣品對應的模糊矩陣分別為y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7。

表3 感官評定結果Table 3 Sensory evaluation results

2.2.2 模糊矩陣的確立 將上述7 個樣品的評語結果寫成矩陣為：

2.2.3 綜合評價結果 模糊數(shù)學綜合分析是一種基于模糊數(shù)學的綜合評價方法，能較好地解決難以量化的問題。將評分結果進行處理分析，得到模糊數(shù)學綜合分析結果為Y，Y 是模糊向量R 和模糊矩陣y 的合成，Y=R×y，即：

同理，可得到其它樣品的模糊評價結果。Y2=[0.6，0.4，0.0]；Y3= [0.49，0.48，0.03]；Y4= [0.39，0.45，0.16]；Y5= [0.09，0.58，0.33]；Y6= [0.06，0.32，0.62]；Y7=[0.06，0.13，0.81]。

根據(jù)評價集V=[V1，V2，V3]進行分析，90 分為優(yōu)，70 分為中，50 分為差，分別將Y 中各個量乘其相對應的分值，再加和得到感官評定值。按最大隸屬原則綜合評價結果，其對應的燕麥麩皮脂肪酸值如表4所示，確定燕麥麩皮的脂肪酸值臨界值為114.43 mg/100 g（以KOH 計）。

表4 燕麥麩皮感官評分值Table 4 Oat bran sensory score values

2.3 預處理方式和貯藏溫度對燕麥麩皮穩(wěn)定化效果的影響

由圖2可知，隨著貯藏時間的延長，不同貯藏溫度及不同預處理方式的燕麥麩皮的脂肪酸值均呈上升趨勢，且貯藏溫度越高，脂肪酸值隨時間升高的增幅越大，到達貯藏終點的時間越短，可見貯藏溫度對燕麥麩皮品質的變化影響巨大，控制貯藏溫度對保持燕麥麩皮的品質有重要意義。另一方面，與未進行預處理的燕麥麩皮相比，相同溫度下濕熱、微波及熱風干燥燕麥麩皮均有抑制脂肪酸敗、延長貯藏期的作用，且濕熱處理燕麥麩皮較其它燕麥麩皮脂肪酸值增幅小且貯藏期長，說明濕熱處理燕麥麩皮穩(wěn)定化效果更佳，與葉國棟等[29]和吳建永[30]的研究效果類似，說明濕熱處理是一種較好的穩(wěn)定化方法。

圖2 預處理方式及貯藏溫度對燕麥麩皮儲藏期間脂肪酸值的影響Fig.2 Effects of pretreatment methods and storage temperature on fatty acid values of oat bran during storage

2.4 貯藏期預測模型的建立及評價結果

2.4.1 基于脂肪酸值的品質劣變動力學模型的建立 一級動力學模型能夠準確反映食品在貯藏過程中的品質劣變[31]。將試驗數(shù)據(jù)代入式（1）中，通過Excel 軟件進行數(shù)據(jù)擬合，結果見表5。

由表5可知，不同預處理燕麥麩皮的脂肪酸值的一級反應決定系數(shù)R2均大于0.90，表明貯藏期間脂肪酸值的變化符合一級反應動力學模型。

表5 不同預處理方式及貯藏溫度燕麥麩皮脂肪酸值隨貯藏時間變化的一級動力學模型參數(shù)Table 5 Parameters of the first level kinetic model of fatty acid values of different pretreatment methods and storage temperature oat brans with storage time

2.4.2 不同貯藏溫度下Arrhenius 方程的建立 用lnk 對1/T 作圖，進行線性回歸分析，得到表6。根據(jù)線性回歸方程計算Ea和k0。燕麥麩皮回歸方程的決定系數(shù)R2均超過了0.90，說明脂肪酸值可以作為儲藏期預測模型的關鍵品質因子。

表6 不同貯藏溫度下燕麥麩皮脂肪酸值的Arrhenius 回歸方程Table 6 Arrhenius regression equation for fatty acid values of oat bran at different storage temperatures

2.4.3 燕麥麩皮貯藏期預測模型的建立 根據(jù)表6，將求得的不同預處理燕麥麩皮的Ea和k0分別代入公式（4）中，得到以脂肪酸值為指標的貯藏期預測模型，分別如下所示。

2.4.4 貯藏期預測模型的驗證與評價 表7是不同預處理燕麥麩皮貯藏期預測模型的驗證結果。由表7可知，預測值與實測值的相對誤差均低于10%，說明該模型具有良好的預測精度[32]。本試驗中以脂肪酸值為指標建立的不同預處理燕麥麩皮貯藏期預測模型具有較好的可靠性。

表7 燕麥麩皮實際貯藏期與預測值的比較Table 7 Comparison of actual storage period of oat bran with predicted values

3 結論

本試驗探究了不同預處理方式對燕麥麩皮的脂肪酸組成和含量的影響，并建立了以脂肪酸值為考察指標的貯藏期預測模型。濕熱處理對燕麥麩皮中脂肪酸含量的影響較小，不影響燕麥麩皮的加工利用。微波及熱風干燥處理后燕麥麩皮中飽和脂肪酸含量下降，而不飽和脂肪酸含量則升高。主成分分析結果表明不同預處理燕麥麩皮的主要差異為亞油酸、二十二碳二烯酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、十七烷酸和二十二烷酸、二十碳五烯酸和油酸這8 種脂肪酸。

運用模糊數(shù)學綜合分析確定燕麥麩皮的脂肪酸值臨界值為114.43 mg/100 g（以KOH 計）。3 種預處理中，濕熱處理燕麥麩皮有較高的儲藏穩(wěn)定性。采用一級動力學模型結合Arrhenius 方程建立基于不同預處理后燕麥麩皮脂肪酸值的預測模型，決定系數(shù)R2均在0.90 以上，模型擬合精度較高。預測模型所得預測值與實測值相對誤差小于10%，表明方程可準確預測燕麥麩皮的品質變化情況。

在此基礎上得出在20 ℃儲藏條件下，濕熱、微波及熱風干燥較未加工燕麥麩皮預測儲藏期分別延長了133，49 d 和36 d。對3 種貯藏方式進行綜合比較，結合各自方式在生產(chǎn)應用的特點，濕熱處理更適合燕麥麩皮的工業(yè)化貯存。